KR100649570B1 - 전지 관리 시스템 및 방법과 전지 시스템 - Google Patents

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윤한석
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Abstract

전지 관리 시스템에서, 제1 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전한 후에 커패시터에 충전된 전압으로 제1 전지 셀의 전압을 측정한다. 그리고 제1 전지 셀의 전압이 커패시터에 충전된 상태에서, 제2 전지 셀의 전압을 커패시터에 다시 충전한다. 이어서, 커패시터에 충전된 전압으로 제2 전지 셀의 전압을 측정한다. 이와 같이 하면, 커패시터를 방전할 시간을 제거할 수 있어서, 전지 셀의 전압을 측정하는 주기를 짧게 할 수 있다.
BMS, 전지, 커패시터, 셀, 충전

Description

전지 관리 시스템 및 방법과 전지 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD, AND BATTERY SYSTEM}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 전지 관리 시스템의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 셀 전압 측정부의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 3의 셀 전압 측정부에 인가되는 제어 신호의 신호 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 전압 측정부의 개략적인 도면이다.
도 6은 도 5의 셀 전압 측정부에 인가되는 제어 신호의 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 셀 전압 측정부의 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 도면이다.
도 9는 도 8의 전지 관리 시스템의 개략적인 도면이다.
본 발명은 전지 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 전기 에너지를 이용하는 자동차의 전지를 관리하는 시스템에 관한 것이다.
최근, 내연 엔진만을 사용하는 자동차를 대체하기 위해 전기 자동차, 하이브 리드(hybrid) 자동차 등이 개발되고 있다. 전기 자동차는 전지의 전기 에너지로 동작하는 전지 엔진을 사용하며, 하이브리드 자동차는 전지 엔진과 내연 엔진과 같이 두 가지 이상의 동력원을 같이 사용하는 자동차이다.
전지 엔진은 충방전이 가능한 복수의 전지 셀에 의해 형성된 전지를 동력원으로 이용하고 있으므로, 전지 셀의 충방전량이 전지 엔진의 동작에 영향을 준다. 예를 들어 전지 셀의 충전량이 목표치보다 낮으면 낮은 공급 전압에 의해 전지 엔진이 정상적으로 동작할 수 없으며, 전지 셀의 충전량이 목표치보다 높으면 전지 셀의 높은 전압에 의해 구동 회로가 파손될 수 있다.
또한, 복수의 전지 셀이 하나의 전지를 형성하므로, 복수의 전지 셀을 개별적으로 관리하는 경우에는 각 전지 셀마다 전지 셀의 충방전을 감지하는 시스템이 형성되어야 하므로 단가가 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명의 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 전지 셀의 충방전을 관리할 수 있는 전지 관리 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 한 실시예에 따르면 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀을 관리하는 전지 관리 시스템이 제공된다. 이 전지 관리 시스템은 제1 및 제2 릴레이, 제1 및 제2 전압 전달부, 충전부 및 제어 신호 생성부를 포함한다. 제1 릴레이는 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 양극과 음극에 입력 단자가 연결되어 있으며 제1 제어 신호에 응답하여 동작하며, 제2 릴레이는 복 수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 양극과 음극에 입력 단자가 연결되어 있으며 제2 제어 신호에 응답하여 동작한다. 제1 전압 전달부는 제1 릴레이의 출력 단자 및 제2 릴레이의 출력 단자에 입력 단자가 연결되어 있으며, 제3 제어 신호의 온 전압에 응답하여 입력 단자로부터의 전압을 출력한다. 충전부는 제1 전압 전달부의 출력 단자로부터의 전압을 충전하고, 제2 전압 전달부는 충전부에 입력 단자가 연결되어 있으며 제4 제어 신호의 온 전압에 응답하여 충전부의 전압을 출력한다. 그리고 제어 신호 생성부는 충전부에 제1 전지 셀의 전압에 대응하는 전압이 충전되어 있는 상태에서 제2 제어 신호를 온 전압으로 설정하여 충전부의 전압을 제2 전지 셀의 전압으로 설정한다.
이때, 제어 신호 생성부는, 제1 기간 동안 제1 및 제3 제어 신호를 온 전압, 제2 및 제4 제어 신호를 오프 전압으로 설정하고, 제1 기간 이후인 제2 기간 동안 제4 제어 신호를 온 전압, 제1, 제2 및 제3 제어 신호를 오프 전압으로 설정하고, 제2 기간 이후인 제3 기간 동안 제2 및 제3 제어 신호를 온 전압, 제1 및 제4 제어 신호를 오프 전압으로 설정하고, 제3 기간 이후인 제4 기간 동안 제4 제어 신호를 온 전압, 제1, 제2 및 제3 제어 신호를 오프 전압으로 설정할 수 있다.
그리고 충전부는 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 제4 제어 신호는 제3 제어 신호에 대해서 반전된 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀을 포함하는 전지를 관리하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 복수의 전지 셀 중 제1 전 지 셀의 전압을 커패시터에 충전하고, 커패시터에 충전된 전압으로 제1 전지 셀의 전압을 측정한다. 그리고 이 방법은, 커패시터에 제1 전지 셀의 전압에 대응하는 전압이 충전되어 있는 상태에서 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전하고, 커패시터에 충전된 전압으로 제2 전지 셀의 전압을 측정한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 관리 시스템은 복수의 셀 전압 측정부, 아날로그/디지털 변환부 및 제어부를 포함한다. 전지는 복수의 전지 셀을 포함하고 복수의 전지 셀이 복수의 셀 그룹으로 구분되어 있으며, 복수의 셀 전압 측정부는 각각 복수의 셀 그룹에 연결되어 있다. 아날로그/디지털 변환부는 복수의 셀 전압 측정부에서 측정한 전압을 디지털 신호로 변환하며, 제어부는 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 전압에 따라 각 셀 그룹에 포함되는 복수의 전지 셀의 충방전을 제어한다. 그리고 각 셀 전압 측정부는 대응하는 셀 그룹의 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전한 후에 커패시터 충전된 전압을 아날로그/디지털 변환부로 전달하고, 커패시터에 제1 전지 셀의 전압이 충전된 상태에서 대응하는 셀 그룹의 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전한 후에 커패시터 충전된 전압을 아날로그/디지털 변환부로 전달한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전지와 전지 관리 시스템을 포함하는 전지 시스템이 제공되며, 전지는 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀을 포함한다. 전지 관리 시스템은 셀 전압 측정부를 포함하며, 셀 전압 측정부는 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전한 후에 커패시터에 충전된 전압으로 제1 전지 셀의 전압을 측정하고, 커패시터에 제1 전지 셀의 전압이 충전된 상태 에서 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전한 후에 커패시터에 충전된 전압으로 제2 전지 셀의 전압을 측정한다.
본 발명의 또 다른 시스템에 따르면, 전지 시스템과 전지 시스템의 전지로부터의 전기 에너지에 의해 동작하는 동력 발생 장치를 포함하는 자동차가 제공된다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 전지 관리 시스템 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 관리 시스템이 형성되어 있는 전지 시스템에 대한 개략적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템(1)은 전지 관리 시스템(10) 및 전지(20)를 포함한다.
전지(20)는 서로 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀(21a-28e)를 포함하며, 각 전지 셀(21a-28e)은 충방전이 가능하다. 도 1에서는 설명의 편의상 40개의 전지 셀(21a-28e)을 도시하였으며, 40개의 전지 셀(21a-28e)를 8개의 셀 그룹(21-28)으로 표현하였다. 복수의 전지 셀(21a-28e) 중 양쪽 끝에 위치하는 전지 셀(21a, 28e)에 두 출력 단자(31, 32)가 연결되어 있다. 구체적으로 끝에 전지 셀(21a)의 양극에 양극 출력 단자(31)가 연결되고, 전지 셀(28e)의 음극에 음극 출력 단자(32)가 연결되어 있다. 이러한 양극 및 음극 출력 단자(31, 32)는 각각 자동차의 동력 발생 장치(도시하지 않음)의 양극 및 음극 입력 단자(33, 34)에 각각 연결되어 전지(20)의 전기 에너지를 동력 발생 장치에 공급한다.
그리고 전지 관리 시스템(10)은 복수의 전지 셀(21a-28e)의 전압을 측정하여 전지 셀(21a-28e)의 과충전 또는 저충전 여부를 판단하여 전지 셀의 충방전을 조절한다.
아래에서는 이러한 전지 관리 시스템(10)에 대해서 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 관리 시스템(10)의 개략적인 도면이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 전압 측정부(100)의 개략적인 도면이다. 도 3에서는 설명의 편의상 셀 그룹(21)에 연결되어 있는 셀 전압 측정부(100)만을 도시하였다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전지 관리 시스템(10)은 복수의 셀 전압 측정부(100), 제어 신호 생성부(200) 및 제어부(300)를 포함하며, 각 셀 전압 측정 부(100)가 각 셀 그룹(21-28)에 대응하여 형성되어 있다. 이때, 도 2와 달리 하나의 셀 전압 측정부(100)가 복수의 전지 셀(21a-28e)에 대응하여 형성될 수도 있다.
각 셀 전압 측정부(100)는 대응하는 셀 그룹(21-28)의 복수의 전지 셀의 전압을 각각 측정하여 제어부(300)로 전달한다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이 복수의 셀 전압 측정부(100)와 제어부(300) 사이에 아날로그/디지털 변환부(400)가 형성되어, 셀 전압 측정부(100)에서 측정한 전압을 디지털 신호로 변환하여 제어부(300)로 전달할 수도 있다. 제어 신호 생성부(200)는 제어 신호(SENSE1-SENSE5, SW1-SW3)를 복수의 셀 전압 측정부(100)로 전달하여, 각 셀 전압 측정부(100)가 각 셀 그룹(21-28)에 형성된 복수의 전지 셀의 전압을 순차적으로 측정하도록 제어한다. 제어부(300)는 각 셀 전압 측정부(100)에서 전달되는 각 전지 셀의 전압에 기초하여 전지 셀의 충방전을 제어한다.
도 3을 보면, 각 셀 전압 측정부(100)는 복수의 릴레이(111-115), 셀 전압 전달부(120), 충전부(130), 충전 전압 전달부(140) 및 방전부(150)를 포함한다.
복수의 릴레이(111-115)는 셀 그룹(21)의 복수의 전지 셀(21a-21e)과 셀 전압 전달부(120) 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 각 릴레이(111-115)는 각 전지 셀(21a-21e)의 양극과 음극에 연결되어 있는 두 입력 단자와 셀 전압 전달부(120)의 두 입력 단자에 연결되어 있는 두 출력 단자를 가진다. 각 릴레이(111-115)는 제어 신호 생성부(200)로부터의 대응하는 제어 신호(SENSE1-SENSE5)의 온 전압에 응답하여 대응하는 전지 셀(21a-21e)의 전압을 셀 전압 전달부(120)로 전달하고, 대응하는 제어 신호(SENSE1-SENSE5)의 오프 전압에 응답하여 대응하는 전지 셀 (21a-21e)과 셀 전압 전달부(120)를 전기적으로 차단한다.
셀 전압 전달부(120)의 두 출력 단자는 충전부(130)의 양단에 연결되어 있다. 이러한 셀 전압 전달부(120)는 제어 신호 생성부(200)로부터의 제어 신호(SW1)의 온 전압에 응답하여 릴레이(111-115)를 통하여 전지 셀(21a-21e)에서 전달되는 전지 셀의 전압을 충전부(130)에 충전한다. 그리고 셀 전압 전달부(120)는 제어 신호(SW1)의 오프 전압에 응답하여 릴레이(111-115)와 충전부(130)를 전기적으로 차단하여 충전부(130)에 충전된 전압이 누설되는 것을 방지한다.
충전부(130)의 일단은 기준 전압을 공급하는 전원에 연결되어 있다. 충전 전압 전달부(140)는 제어 신호(SW2)의 온 전압에 응답하여 충전부(130)에 충전된 전압을 아날로그/디지털 변환부(400)로 전달한다. 그리고 방전부(150)는 충전부(130)의 양단 사이에 연결되어 있는 스위치를 포함하며, 제어 신호(SW3)의 온 전압에 응답하여 스위치를 턴온하여 충전부(130)의 전압을 방전한다.
이때, 셀 전압 측정부(100)는 충전 전압 전달부(140)와 아날로그/디지털 변환부(400) 사이에 연결되는 버퍼(160)를 더 포함할 수 있다. 버퍼(160)는 아날로그/디지털 변환부(400)의 전압 변화가 충전 전압 전달부(140)에 영향을 주는 것을 방지하여, 충전 전압 전달부(140)의 전압이 아날로그/디지털 변환부(400)에 정상적으로 전달될 수 있도록 한다. 이러한 버퍼(160)는 전압 폴로어(voltage follower) 등이 사용될 수 있다.
이러한 셀 전압 전달부(120)와 충전 전압 전달부(140)는 각각 전지 셀의 전압과 충전부(130)의 전압을 전달하는 역할을 하므로, 릴레이로 형성될 수 있다. 그 리고 충전부(130)는 적어도 하나의 커패시터로 형성되어 전지 셀의 전압을 충전할 수 있다.
다음, 이러한 셀 전압 측정부(100)의 동작에 대해서 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 4는 셀 전압 측정부(100)에 인가되는 제어 신호의 타이밍도이다.
도 4에서는 제어 신호(SENSE1-SENSE5, SW1, SW2, SW3)의 온 전압을 하이 레벨 전압, 오프 전압을 로우 레벨 전압으로 가정하였다.
도 4를 보면, T11 기간에서, 릴레이(111-115), 셀 전압 전달부(120) 및 충전 전압 전달부(140)가 오프된 상태에서, 제어 신호(SW3)의 온 전압에 응답하여 방전부(150)의 스위치가 온되어 충전부(130)의 전압이 방전된다. 그리고 T12 기간에서 제어 신호(SW1, SENSE1)의 온 전압과 제어 신호(SW2, SW3)의 오프 전압에 응답하여, 셀 전압 전달부(120)와 릴레이(111)가 온되고 충전 전압 전달부(140)와 방전부(150)의 스위치가 오프된다. 그러면 릴레이(111)와 셀 전압 전달부(120)에 의해 전지 셀(21a)의 전압이 충전부(130)에 충전된다. 이때, T12 기간은 전지 셀(21a)과 충전부(130) 사이에 형성되는 기생 저항 성분과 충전부(130)의 커패시터 용량에 의해 결정되는 시정수에 비례하는 기간이다.
다음, T13 기간에서 제어 신호(SENSE1)의 오프 전압에 응답하여 릴레이(111)가 오프되어 전지 셀(21a)과 셀 전압 전달부(120)가 전기적으로 차단된다. 이어서 제어 신호(SW1)의 오프 전압 및 제어 신호(SW2)의 온 전압에 응답하여 셀 전압 전달부(120)가 오프되고 충전 전압 전달부(140)가 온된다. 그러면 충전부(130)에 충전된 전지 셀(21a)의 전압이 버퍼(150)와 아날로그/디지털 변환부(400)를 거쳐 제 어부(300)로 전달된다. 따라서 제어부(300)에서 전지 셀(21a)의 전압을 감지할 수 있다.
충전 전압 전달부(140)를 통하여 충전부(130)의 전압이 전달되는 시간과 아날로그/디지털 변환부(400)에서 전압을 처리하는 시간에 의해 결정된다.
T21 기간에서 제어 신호(SW3)의 온 전압에 방전부(150)의 스위치가 응답하여 온되어 T12 기간 동안 충전부(130)에 충전되었던 전지 셀(21a)의 전압이 방전된다. 그리고 T22 기간에서 제어 신호(SW1, SENSE2)의 온 전압과 제어 신호(SW2, SW3)의 오프 전압에 응답하여, 셀 전압 전달부(120)와 릴레이(112)가 온되고 충전 전압 전달부(140)와 방전부(150)의 스위치가 오프된다. 그러면 릴레이(112)와 셀 전압 전달부(120)에 의해 전지 셀(21b)의 전압이 충전부(130)에 충전된다.
다음, T23 기간에서 제어 신호(SENSE2)의 오프 전압에 응답하여 릴레이(112)가 오프된다. 이어서 제어 신호(SW1)의 오프 전압 및 제어 신호(SW2)의 온 전압에 응답하여, 충전부(130)에 충전된 전지 셀(21b)의 전압이 버퍼(150)와 아날로그/디지털 변환부(400)를 거쳐 제어부(300)로 전달된다.
마찬가지로, T31 기간에서 방전부(150)의 스위치가 온되어 T22 기간 동안 충전부(130)에 충전되었던 전지 셀(21b)의 전압이 방전되고, T32 기간에서 제어 신호(SW1, SENSE3)의 온 전압과 제어 신호(SW2, SW3)의 오프 전압에 응답하여 충전부(130)에 전지 셀(21c)의 전압이 충전된다. 그리고 T33 기간에서 제어 신호(SENSE3, SW1)의 오프 전압과 제어 신호(SW2)의 온 전압에 응답하여 충전부(130)에 충전된 전지 셀(21c)의 전압이 제어부(300)로 전달된다.
마찬가지로, T41, T42, T43, T51, T52 및 T53 기간이 순서대로 수행되어 제어부(300)가 전지 셀(21d, 21e)의 전압을 감지할 수 있다. 구체적으로, T41 및 T51 기간에서 각각 방전부(150)의 스위치가 온되어 T32 및 T42 기간에서 충전부(130)에 충전되었던 전지 셀(21c, 21d)의 전압이 방전된다. 그리고 T42 및 T52 기간에서 각각 제어 신호(SW1, SENSE4, SENSE5)의 온 전압과 제어 신호(SW2, SW3)의 오프 전압에 응답하여 전지 셀(21d, 21e)의 전압이 충전부(130)에 충전되고, T43 및 T53 기간에서 각각 제어 신호(SENSE4, SENSE5, SW1)의 오프 전압과 제어 신호(SW2)의 온 전압에 응답하여 충전부(130)에 충전된 전지 셀(21d, 21e)의 전압이 제어부(300)로 전달된다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 셀 관리 시스템(10)은 T11 기간부터 T53 기간까지의 1 주기 동안 셀 그룹(21)의 복수의 전지 셀(21a-21e)의 전압을 하나의 셀 전압 측정부(100)를 사용하여 감지할 수 있다. 또한, 셀 관리 시스템(10)은 이 기간 동안 동일한 방식으로 다른 셀 그룹(22-28)에 연결된 셀 전압 측정부(100)에서 각 셀 그룹(22-28)의 복수의 전지 셀의 전압을 측정할 수 있다. 그리고 셀 관리 시스템(10)은 T11 기간부터 T53 기간까지의 주기를 반복함으로써 복수의 전지 셀의 전압을 계속 관리할 수 있다.
그런데 본 발명의 제1 실시예에서는 충전부(130)에 각 전지 셀(21a-21e)의 전압을 충전하기 전에 충전부(130)의 전압을 방전한다. 이때, 충전부(130)에서 전압이 방전되는 기간(T11, T12, T13, T14, T15)은 충전부(130)의 커패시터와 저항(152)에 의해 결정되는 시정수에 비례한다. 그리고 충전부(130)에서 전압이 방전된 상태에서, 충전부(130)에 다시 전지 셀의 전압을 충전하려면 많은 양의 전하를 충전하여야 한다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에서는 충전부(130)에 전지 셀의 전압을 충전하는 기간(T12, T22, T32, T42, T52)이 길어지고, 또한 충전부(130)에서 전지 셀의 전압을 방전하는 기간(T11, T12, T13, T14, T15)이 필요하다. 이와 같이 시간이 길어지면 복수의 전지 셀의 전압을 감지하는 주기가 길어져서, 전지 셀의 전압을 한번 감시한 후에 다시 감지할 때까지의 시간이 길어진다는 문제점이 있다. 그러면 이 시간 동안 전지 셀의 전압에 문제가 발생하는 경우에 대응을 할 수 없게 된다. 아래에서는 전지 셀의 전압을 측정하는 주기를 줄일 수 있는 실시예에 대해서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 전압 측정부(100')의 개략적인 도면이고, 도 6은 도 5의 셀 전압 측정부(100')에 인가되는 제어 신호의 타이밍도이다.
도 5를 보면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 전압 측정부(100')는 도 3의 셀 전압 측정부(100)에서 방전부(150)가 제거된 구조를 가진다. 그리고 도 6을 보면, 시신호 타이밍도에서 충전부(130)의 전압을 방전하는 기간(T11, T21, T31, T41, T51)이 수행되지 않는다.
구체적으로, 먼저 T12' 기간 동안 제어 신호(SW1, SENSE1)의 온 전압과 제어 신호(SW2)의 오프 전압에 응답하여, 셀 전압 전달부(120)와 릴레이(111)가 온되고 충전 전압 전달부(140)가 오프된다. 그러면 릴레이(111)와 셀 전압 전달부(120)에 의해 전지 셀(21a)의 전압이 충전부(130)에 충전된다. 이때, 전지 셀(21a)은 용량 이 큰 커패시터로 가정할 수 있으므로, 전지 셀(21a)과 병렬로 연결된 충전부(130)의 전압은 직전의 전압에 관계 없이 전지 셀(21a)의 전압과 동일해진다.
다음, T13' 기간 동안 제어 신호(SENSE1, SW1)의 오프 전압과 제어 신호(SW2)의 온 전압에 응답하여, 릴레이(111)와 셀 전압 전달부(120)가 오프되고 충전 전압 전달부(140)가 온된다. 그러면 충전부(130)에 충전된 전지 셀(21a)의 전압이 버퍼(150)와 아날로그/디지털 변환부(400)를 거쳐 제어부(300)로 전달된다.
다음, T22' 기간 동안 제어 신호(SW1, SENSE2)의 온 전압과 제어 신호(SW2)의 오프 전압에 응답하여, 릴레이(112)와 셀 전압 전달부(120)가 온되고 충전 전압 전달부(140)가 오프된다. 그러면 릴레이(112)와 셀 전압 전달부(120)에 의해 전지 셀(21b)의 전압이 충전부(130)에 충전된다. 앞서 설명한 것처럼, 전지 셀(21b)은 용량이 큰 커패시터로 가정할 수 있으므로, T12' 기간 동안 충전부(130)에 충전된 전압과 관계 없이 충전부(130)의 전압이 전지 셀(21b)의 전압과 동일해질 수 있다. 그리고 충전부(130)에 전지 셀(21a)의 전압에 대응하는 전압이 충전된 상태에서 충전부(130)가 다시 충전되므로, 충전부(130)에 전지 셀(21b)의 전압이 빠르게 충전될 수 있다. 즉, T22' 기간을 도 4의 T22 기간보다 짧게 설정할 수 있다.
마찬가지로, T32', T42' 및 T52' 기간 동안 각각 충전부(130)에 전지 셀(21b, 21c, 21d)에 대응하는 전압이 충전된 상태에서 충전부(130)에 전지 셀(21c, 21d, 21e)의 전압이 충전된다. 그리고 T33', T43' 및 T53' 기간 동안 각각 충전부(130)에 충전된 전지 셀(21c, 21d, 21e)의 전압이 제어부(300)로 전달된다. 이 경우에도 전지 셀(21c, 21d, 21e)은 용량이 큰 커패시터로 가정할 수 있으므로, T32', T42' 및 T52' 기간에서 각각 충전부(130)에 전지 셀(21c, 21d, 21e)의 전압이 빠르게 충전될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 충전부(130)에서 직전에 충전된 전지 셀의 전압을 방전하지 않고, 충전부(130)에 원하는 전지 셀의 전압을 충전하므로, 충전부(130)를 방전하는 기간을 제거할 수 있다. 그리고 충전부(130)에 전지 셀에 대응하는 전압이 충전된 상태에서 새로운 전지 셀의 전압을 충전하므로, 충전부(130)를 방전한 후에 다시 충전하는 경우보다 전지 셀의 전압을 충전하는 기간을 줄일 수 있다.
이상, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서는 전지 관리 시스템에서 제어 신호 생성부(200)와 제어부(300)가 별도로 존재하는 것으로 설명하였지만, 이와는 달리 제어부(300)에 제어 신호 생성부(200)가 포함될 수도 있다. 즉, 제어부(300)가 제어 신호(SENSE1-SENSE5, SW1-SW3)를 생성할 수 있다.
그리고 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서 설명한 릴레이(111-115, 120, 140)는 제어 신호에 응답하여 두 입력 단자와 두 출력 단자 사이를 전기적으로 연결하거나 차단할 수 있는 스위치를 모두 포함하는 개념이다.
또한, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서는 제어 신호 생성부(200)에서 셀 전압 전달부(120)와 충전 전압 전달부(140)를 제어하는 제어 신호(SW1, SW2)를 별도로 생성하는 것으로 설명하였지만, 두 제어 신호(SW1, SW2) 중 하나의 제어 신호만을 생성할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 셀 전압 측정부(100")의 개략적인 도면 이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제3 실시예에 따른 셀 전압 측정부(100")는 도 5의 셀 전압 측정부(100')와 달리 논리 회로(170)를 더 포함한다. 도 6을 보면, 셀 전압 전달부(120)를 제어하는 제어 신호(SW1)와 충전 전압 전달부(140)를 제어한 제어 신호(SW2)는 반대 레벨을 가지고 있다. 따라서 제어 신호 생성부(도 2의 200)가 제어 신호(SW1)를 출력하는 대신에, 논리 회로(170)가 제어 신호 생성부(도 2의 200)로부터의 제어 신호(SW2)를 반전하여 제어 신호(SW1)를 생성한다. 이러한 논리 회로(170)로 인버터를 사용할 수 있으며, 또한 제어 신호(SW2)를 두 입력으로 수신하는 NAND 게이트를 사용할 수도 있다.
그리고 도 7과 달리 신호 생성부(도 2의 200)가 제어 신호(SW2)를 출력하는 대신에, 논리 회로(170)가 제어 신호 생성부(도 2의 200)로부터의 제어 신호(SW1)를 반전하여 제어 신호(SW2)를 생성할 수 있다.
이상, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에서는 전지 관리 시스템(10)과 전지(20)를 전지 시스템(1)에 대해서 설명하였지만, 전지 시스템(1)는 전지(20)를 관리하기 위한 다른 구조를 더 포함할 수 있다. 아래에서는 이러한 실시예에 대해서 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전지 시스템(1')의 개략적인 도면이며, 도 9는 도 8의 전지 관리 시스템(10')의 개략적인 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제4 실시예에 따른 전지 시스템(1')은 전지 관리 시스템(10')과 전지(20) 이외에 전류 센서(40), 냉각 팬(50), 퓨즈(60) 및 메인 스 위치(70) 중 적어도 하나를 더 포함한다. 도 8에서는 전류 센서(40), 냉각 팬(50), 퓨즈(60) 및 메인 스위치(70)를 모두 포함하는 전지 시스템(1')을 도시하였다.
그리고 도 9에 도시한 바와 같이, 도 8의 전지 관리 시스템(10')은 셀 전압 측정부(100), 제어 신호 생성부(200), 제어부(300), 아날로그/디지털 변환부(400) 이외에 전지 전압 측정부(500), 전지 전류 측정부(600), 온도 측정부(700) 및 외부 인터페이스(800) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 도 9에서는 전지 전압 측정부(500), 전지 전류 측정부(600), 온도 측정부(700) 및 외부 인터페이스(800)를 모두 포함하는 전지 관리 시스템(10')을 도시하였다.
전류 센서(40)는 양극 입력 단자(33)와 전지(20)의 양극 출력 단자(31) 사이에 연결되어 전지(20)의 출력 전류를 측정하고, 측정한 전류값을 전지 관리 시스템(10)으로 전달한다. 이때, 전류 센서(40)는 음극 입력 단자(34)와 전지(20)의 음극 출력 단자(32) 사이에 연결될 수도 있다.
냉각 팬(50)은 전지 관리 시스템(10')의 제어 신호에 따라 전지(200)의 충방전에 의해 발생하는 열을 냉각한다. 퓨즈(60)는 음극 입력 단자(34)와 전지(20)의 음극 출력 단자(32) 사이에 연결되어, 전지(20)에서 과전류가 발생할 때 과전류가 동력 발생 장치로 전달되는 것을 차단한다. 메인 스위치(70)는 음극 입력 단자(34)와 전지(20)의 음극 출력 단자(32) 사이에 연결되어, 과전압, 과전류, 고온 등의 이상 현상이 발생하는 경우에 전지 관리 시스템(10')의 제어 신호에 따라 전류 경로를 차단한다. 이때, 퓨즈(60)와 메인 스위치(70)도 양극 입력 단자(33)와 전지(20)의 양극 출력 단자(31) 사이에 연결될 수도 있다.
전지 관리 시스템(10')에서 전지 전압 측정부(500)는 전지(20)의 양극 입력 단자(31)와 음극 입력 단자(32) 사이의 전압을 전지 전압으로 측정하여 아날로그/디지털 변환부(400)로 전달한다. 전지 전류 측정부(600)는 전류 센서(30)에서 측정한 전지 전류를 수신하여 아날로그/디지털 변환부(400)로 전달한다. 아날로그/디지털 변환부(400)는 전지 전압과 전지 전류를 각각 디지털 신호로 변환하여 제어부(300)로 전달한다. 그리고 온도 측정부(700)는 전지(20) 내부의 온도 및 주변 온도를 측정한 디지털 값을 제어부(300)로 전달한다. 이와 같이 하면, 제어부(300)가 전지(20)의 전압, 전류 및 온도를 전체적으로 관리할 수 있다.
또한, 제어부(300)는 전지(20)의 전압, 전류, 온도 등의 상태에 따라 외부 인터페이스(800)를 통하여 냉각 팬(50)과 메인 스위치(70)의 동작을 제어할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에서 설명한 전지 시스템(1, 1')의 전지(20)로부터의 전기 에너지에 의해 동작하는 동력 발생 장치를 자동차에 연결하면, 전지 자동차 또는 하이브리드 자동차를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 복수의 전지 셀의 전압을 하나의 충전부로 측 정할 수 있으므로, 충전부의 개수를 줄일 수 있다. 그리고 직전에 충전된 전지 실의 전압을 방전하지 않고 새로운 전지 셀의 전압을 충전부에 충전하므로, 충전하는 시간을 줄일 수 있으며 또한 충전부를 방전하는 기간을 제거할 수 있다. 따라서 전지 셀의 전압을 측정하는 주기를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 전지의 전압, 전류, 온도 등을 측정하여 이들의 상태에 따라 전지의 동작을 관리할 수 있다.

Claims (27)

  1. 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀을 관리하는 전지 관리 시스템에 있어서,
    상기 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 양극과 음극에 입력 단자가 연결되어 있으며, 제1 제어 신호에 응답하여 동작하는 제1 릴레이,
    상기 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 양극과 음극에 입력 단자가 연결되어 있으며, 제2 제어 신호에 응답하여 동작하는 제2 릴레이,
    상기 제1 릴레이의 출력 단자 및 상기 제2 릴레이의 출력 단자에 입력 단자가 연결되어 있으며, 제3 제어 신호의 온 전압에 응답하여 상기 입력 단자로부터의 전압을 출력하는 제1 전압 전달부,
    상기 제1 전압 전달부의 출력 단자로부터의 전압을 충전하는 충전부,
    상기 충전부에 입력 단자가 연결되어 있으며, 제4 제어 신호의 온 전압에 응답하여 상기 충전부의 전압을 출력하는 제2 전압 전달부, 그리고
    상기 충전부에 상기 제1 전지 셀의 전압에 대응하는 전압이 충전되어 있는 상태에서 상기 제2 제어 신호를 온 전압으로 설정하여 상기 충전부의 전압을 상기 제2 전지 셀의 전압으로 설정하는 제어 신호 생성부
    를 포함하는 전지 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 신호 생성부는,
    제1 기간 동안 상기 제1 및 제3 제어 신호를 온 전압, 상기 제2 및 제4 제어 신호를 오프 전압으로 설정하고,
    상기 제1 기간 이후인 제2 기간 동안 상기 제4 제어 신호를 온 전압, 상기 제1, 제2 및 제3 제어 신호를 오프 전압으로 설정하고,
    상기 제2 기간 이후인 제3 기간 동안 상기 제2 및 제3 제어 신호를 온 전압, 상기 제1 및 제4 제어 신호를 오프 전압으로 설정하고,
    상기 제3 기간 이후인 제4 기간 동안 상기 제4 제어 신호를 온 전압, 상기 제1, 제2 및 제3 제어 신호를 오프 전압으로 설정하는 전지 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전부는 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 전지 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압 전달부는 각각 릴레이를 포함하는 전지 관리 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제4 제어 신호는 상기 제3 제어 신호에 대해서 반전된 전압을 가지는 전지 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 제어 신호를 반전하여 상기 제4 제어 신호를 출력하는 논리 회로를 더 포함하는 전지 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제4 제어 신호를 반전하여 상기 제3 제어 신호를 출력하는 논리 회로를 더 포함하는 전지 관리 시스템.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전압 전달부에서 출력되는 전압을 디지털 신호로 변환하여 상기 제어부로 전달하는 아날로그/디지털 변환부, 그리고
    상기 아날로그/디지털 변환부로부터의 상기 디지털 신호를 수신하여, 상기 제1 및 제2 전지 셀의 전압을 측정하는 제어부를 더 포함하는 전지 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전압 전달부에서 출력되는 전압을 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하는 버퍼를 더 포함하는 전지 관리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제어 신호 생성부를 포함하는 전지 관리 시스템.
  11. 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀을 포함하는 전지를 관리하는 방법에 있어서,
    상기 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 전압을 커패시터에 충전하는 단계,
    상기 커패시터에 충전된 전압으로 상기 제1 전지 셀의 전압을 측정하는 단계,
    상기 커패시터에 상기 제1 전지 셀의 전압에 대응하는 전압이 충전되어 있는 상태에서, 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전하는 단계,
    상기 커패시터에 충전된 전압으로 상기 제2 전지 셀의 전압을 측정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전압을 측정하는 단계는,
    상기 커패시터에 충전된 전압을 버퍼로 출력하는 단계,
    상기 버퍼의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 단계, 그리고
    상기 디지털 신호로 변환된 전압을 측정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전하는 단계는,
    상기 커패시터와 상기 버퍼 사이에 연결되어 있는 제1 릴레이를 턴오프하는 단계, 그리고
    상기 제1 릴레이가 턴오프된 상태에서, 상기 제1 전지 셀과 상기 적어도 하나의 커패시터 사이에 연결되어 있는 제2 릴레이를 턴온하는 단계
    를 포함하며,
    상기 제2 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전하는 단계는,
    상기 제1 릴레이를 턴오프하는 단계, 그리고
    상기 제1 릴레이가 턴오프된 상태에서, 상기 제2 전지 셀과 상기 적어도 하나의 커패시터 사이에 연결되어 있는 제3 릴레이를 턴온하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전지 셀의 전압을 측정하는 단계는,
    상기 제2 릴레이를 턴오프하는 단계, 그리고
    상기 제2 릴레이가 턴오프된 상태에서 상기 제1 릴레이를 턴온하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 제2 전지 셀의 전압을 측정하는 단계는,
    상기 제3 릴레이를 턴오프하는 단계, 그리고
    상기 제3 릴레이가 턴오프된 상태에서 상기 제1 릴레이를 턴온하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 릴레이를 턴오프하는 단계는, 상기 제2 및 제3 릴레이와 상기 커패시터 사이에 연결되어 있는 제4 릴레이를 턴온하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 복수의 전지 셀을 포함하며, 복수의 전지 셀이 복수의 셀 그룹으로 구분되는 전지를 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 복수의 셀 그룹에 각각 연결되어 있는 복수의 셀 전압 측정부,
    상기 복수의 셀 전압 측정부에서 측정한 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부, 그리고
    상기 아날로그/디지털 변환부에서 변환된 전압에 따라 상기 각 셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 전지 셀의 충방전을 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 각 셀 전압 측정부는 커패시터를 포함하며, 대응하는 셀 그룹의 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전한 후에 상기 커패시터 충전된 전압을 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하고, 상기 커패시터에 상기 제1 전지 셀의 전압이 충전된 상태에서 상기 대응하는 셀 그룹의 상기 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전한 후에 상기 커패시터 충전된 전압을 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 각 셀 전압 측정부는, 상기 커패시터에 충전된 전압을 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하는 버퍼를 더 포함하는 시스템.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 전지의 양극 출력 단자와 음극 출력 단자 사이의 전압을 측정하여 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하는 셀 전압 측정부를 더 포함하는 시스템.
  19. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 전지에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서, 그리고
    상기 전류 센서에서 측정된 전류를 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하는 셀 전류 측정부를 더 포함하는 시스템.
  20. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 전지의 온도 또는 상기 전지 주변의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전달하는 온도 측정부를 더 포함하는 시스템.
  21. 직렬로 연결되어 있는 복수의 전지 셀을 포함하는 전지, 그리고
    상기 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전한 후에 상기 커패시터에 충전된 전압으로 상기 제1 전지 셀의 전압을 측정하고, 상기 커패시터에 상기 제1 전지 셀의 전압이 충전된 상태에서 상기 복수의 전지 셀 중 제2 전지 셀의 전압을 상기 커패시터에 충전한 후에 상기 커패시터에 충전된 전압으로 상기 제2 전지 셀의 전압을 측정하는 셀 전압 측정부를 포함하는 전지 관리 시스템
    를 포함하는 전지 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전지 관리 시스템은,
    상기 커패시터에 충전된 전압에 대응하는 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부, 그리고
    상기 아날로그/디지털 변환부에서 상기 디지털 신호로 변환된 전압을 측정하는 제어부
    를 더 포함하는 전지 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정부는,
    상기 제1 전지 셀의 양극 및 음극과 상기 커패시터의 양단 사이에 연결되어 있으며, 제1 제어 신호에 응답하여 상기 제1 전지 셀의 전압을 전달하는 제1 릴레이,
    상기 제2 전지 셀의 양극 및 음극과 상기 커패시터의 양단 사이에 연결되어 있으며, 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제2 전지 셀의 전압을 전달하는 제2 릴레이, 그리고
    상기 커패시터의 양단에 입력 단자가 연결되어 있으며, 제3 제어 신호에 응답하여 상기 커패시터의 전압을 상기 아날로그/디지털 변환부로 전달하는 제3 릴레이
    를 더 포함하는 전지 관리 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 전지에 흐르는 전류를 감지하는 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 전지 관리 시스템은,
    상기 전류 센서에서 감지된 전류를 측정하여 상기 아날로그/디지털 변환부를 거쳐 상기 제어부로 전달하는 전지 전류 측정부,
    상기 전지의 양단 전압을 측정하여 상기 아날로그/디지털 변환부를 거쳐 상기 제어부로 전달하는 전지 전압 측정부, 그리고
    상기 전지의 온도 또는 상기 전지 주변의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 전지 시스템.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 동작이 제어되는 냉각 팬, 그리고
    상기 전지의 일단에 연결되어 있으며, 상기 제어부에 의해 동작이 제어되는 메인 스위치를 더 포함하는 전지 시스템.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 전지의 일단에 연결되어 있는 퓨즈를 더 포함하는 전지 시스템.
  27. 제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 기재된 전지 시스템, 그리고
    상기 전지 시스템의 상기 전지로부터의 전기 에너지에 의해 동작하는 동력 발생 장치
    를 포함하는 자동차.
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